鋼材の接合とは？高力ボルトの締付けは中央から外側へ、溶接は開先とスカラップで応力を逃がす

鋼材の接合には溶接と高力ボルト摩擦接合があり、高力ボルトの締付けは中央から外側へ向かって行います。

鋼材の接合方法

鋼橋などの鋼材は、溶接で一体につなぐ方法と、高力ボルトで締め付けてつなぐ方法があります。大きく次のように分かれます。

溶接接合

突合せ溶接

突合せ溶接は、部材の端どうしを突き合わせ、その間（開先）に溶けた金属を入れて一体につなぐ溶接です。開先溶接ともいい、力をしっかり伝えたい主要な継手に使います。

すみ肉溶接

すみ肉溶接は、直交させたり重ねたりした部材のすみ（角）に、三角形の断面で溶接する方法です。開先を取らずに接合でき、補助的な継手などに使います。

2つの違いは力の伝わり方にあります。突合せ溶接は母材と同じ断面が連続するので、力をまっすぐ伝えられます。すみ肉溶接は角に肉を盛るだけなので、力は三角形の断面を斜めに横切って伝わり、そのぶん弱くなります。主要な継手に突合せ溶接を使うのは、この差からです。

開先を取るのは、板の内部まで溶かし込むためです。厚い板をそのまま突き合わせても、表面しか溶けません。V形やレ形に削って隙間をつくることで、溶けた金属が根元まで届きます。開先は「溶接金属を入れる場所」だと考えてください。

高力ボルト接合

高力ボルト摩擦接合は、強いボルトで板どうしを強く締め付け、板と板の間に生じる摩擦の力で力を伝える接合です。摩擦をしっかり効かせるため、塗装しない接触面は黒皮や浮きさびを除去して粗い面にし、所定のすべり係数を確保します。ボルトの締付けは、ナットを回して行うのが原則で、継手の中央から外側に向かって締めると板の密着性がよくなります。溶接と高力ボルト摩擦接合を同じ断面で併用する場合は、溶接を先に完了させてからボルトを締め付けます。

締付けの順序と併用の順序には、同じ理由がある

この分野では2つの「順序」が問われます。どちらも理由は同じで、後からの変形を、締め付けたあとに持ち込まないことです。

締付けは中央から外側へ

ボルトを締めると、板がわずかに引き寄せられてすき間が詰まります。このとき、外側から先に締めると、外側の板だけが密着し、中央にすき間が残ったまま閉じ込められます。ちょうど、シールを端から貼ると真ん中に空気が残るのと同じです。

中央から締めれば、詰まった分のたるみが外側へ順に逃げていきます。だから最後まで密着します。「外側から中央へ」とする肢が誤りなのは、逃げ場を先にふさぐ順序だからです。

溶接を先、ボルトを後

併用の順序も同じ話です。溶接は熱で部材をひずませます。溶けた金属が冷えて縮むとき、板は必ず動きます。

先にボルトを締めておくと、この動きが締め付けた部分をずらし、確保したはずの摩擦力を狂わせます。溶接を先に済ませてひずみを出しきってから締めれば、その心配がありません。動くものを先に、動かしたくないものを後に——この順序です。

なぜ接触面をわざと粗くするのか

高力ボルト摩擦接合は、ボルトが力を受け止めているのではありません。ボルトの役目は板どうしを強く押し付けることで、力を伝えているのは板と板のあいだの摩擦です。

だから摩擦が効かなければ、いくら強いボルトでも意味がありません。接触面の処理が細かく決まっているのは、このためです。

• 黒皮（熱間圧延でできる酸化被膜）は、つるつるして滑ります。除去します。
• 浮きさびは、そこが崩れると板が動きます。除去します。
• 逆に、粗い面にするのは滑りにくくするためです。きれいに磨いてはいけません。

この「粗くする」が直感に反するところです。ふつうの部材は平滑に仕上げますが、摩擦接合の接触面だけは、ざらざらであることが性能になります。所定のすべり係数を確保する、というのはこの状態を数値で管理することです。

過去問でどう問われたか

鋼材の接合は、1級・2級とも高力ボルトと溶接から正誤判定で問われます。問われ方は3つの型に分かれます。

①高力ボルトの締付けの順序・方法、②溶接の欠陥や継手の取り扱い、③摩擦接合の接触面の処理です。

ボルトの締付けを「継手の外側から中央に向かって」行うとする記述は誤りです。高力ボルトの締付けは、継手の中央から外側に向かって行うと密着性がよくなります。

覚えるのは、高力ボルトはナットを回して中央から外側へ締めること、そして溶接はアンダーカットが電流の高すぎで生じることです。

理解度チェック

まとめ

鋼材の接合には、溶接（突合せ溶接・すみ肉溶接）と高力ボルト摩擦接合があります。

高力ボルトの締付けは、中央から外側へ向かって行うのが要点です。

締付けの順序を外側から中央とする誤りが、過去問でよく問われます。